Magnetische Mikroroboter reparieren Rückenmarksverletzungen ohne Elektroden

Transplantierte Stammzellen müssen einen Impuls erhalten, damit sie sich in einem verletzten Rückenmark zu Nervengewebe entwickeln.

Bislang waren dafür meist Elektroden nötig, die chirurgisch in der Nähe des Rückenmarks platziert wurden.

Das ist problematisch, weil Rückenmarksgewebe physischen Kontakt schlecht verträgt. Ein Team in Zürich hat jedoch einen Weg gefunden, ganz ohne Operation auszukommen.

Es entwickelte ein System, das klein genug ist, um durch die Blutbahn zu reisen, und sich mit einem außerhalb des Körpers gehaltenen Magneten lenken und aktivieren lässt. Die Reparatur setzt damit ein, ohne dass eine einzige Elektrode implantiert wird.

Nerven bleiben geschädigt

Das Problem beginnt bei der Biologie. Nervenzellen im Rückenmark wachsen nach einer Durchtrennung fast nie wieder nach, während das Narbengewebe um die Verletzung die Lücke verschließt und alle Fasern aufhält, die sie zu überqueren versuchen.

Ein Ansatz besteht darin, Stammzellen in den beschädigten Bereich zu transplantieren und sie teils mit schwachen elektrischen Impulsen anzuregen.

Für diese Impulse müssen jedoch gewöhnlich Elektroden nahe an Gewebe angebracht werden, das auf jede Störung empfindlich reagiert. Selbst wenn die Zellen ihr Ziel erreichen, sterben die meisten ab oder verbinden sich nicht mit dem umliegenden Gewebe.

Daher war ein schonenderer Zugang erforderlich. Forschende an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) nahmen sich dieser Aufgabe an.

Professor Salvador Pané i Vidal, Leiter des Multi-Scale Robotics Laboratory, führte das Projekt.

Winzige Roboter für Rückenmarksverletzungen

Ihre Lösung verbindet lebende Zellen mit kaum sichtbarer Technik. Jeder Mikroroboter ist mit einer neuronalen Vorläuferzelle gekoppelt.

Dabei handelt es sich um eine junge Zelle, die sich zu unterschiedlichen Bestandteilen des Nervensystems entwickeln kann; an ihrer Oberfläche haften speziell entwickelte Nanopartikel.

Die Zellen stammen ursprünglich von gewöhnlichen erwachsenen Zellen, die im Labor so umprogrammiert werden, dass sie wieder jung und unspezialisiert wirken.

Diese bereits in früheren Arbeiten beschriebene Technik veränderte die regenerative Medizin und erlaubt es, die Zellen in Richtung einer Nervenzell-Entwicklung zu lenken. Die Partikel erfüllen dabei zwei Funktionen.

Elektrizität und Magnetismus

Der Kern verformt sich in einem Magnetfeld, während die äußere Hülle diese Verformung in einen schwachen elektrischen Impuls umwandelt. Der gesamte Roboter misst etwa 6 Mikrometer im Durchmesser.

Die Herstellung erfolgt auf einem Chip in Fingernagelgröße und dauert rund 30 Minuten.

„Wir platzieren ein Reservoir in der Mitte, in dem wir die Zellen einfangen. Dann injizieren wir die Nanopartikel und warten, bis sich die beiden Komponenten verbinden“, sagte Pané i Vidal.

Steuerung im Körper

Nach der Injektion treiben die Roboter nicht ziellos umher. Ein schwaches Magnetfeld außerhalb des Körpers greift ihre eisenreichen Kerne und lässt sie vorwärts rollen, sodass das Team sie gezielt zu einem bestimmten Ort führen kann.

Um diese Kontrolle zu demonstrieren, ließ das Team einen einzelnen Roboter über eine Glasschale rollen, wo er Buchstaben nachzeichnete.

Die Forschenden prüften das System außerdem an Zebrafischlarven, kleinen durchsichtigen Fischen, die häufig in Laborstudien eingesetzt werden.

Im Körper steuerten sie die Roboter durch eine schnell fließende Arterie – sowohl mit als auch gegen den Blutstrom.

Die Bewegung gegen den Blutfluss war langsamer, dafür stabiler; mit der Strömung kam es gelegentlich zu Geschwindigkeitsschüben.

In einer bewegten Blutbahn irgendeinen Kurs zu halten, ist schwierig – den Robotern gelang es dennoch.

Aktivierung der Zellen

Die Roboter an ihren Zielort zu bringen, erledigt erst die Hälfte der Aufgabe – und nicht einmal die schwierigere Hälfte. Die Zellen müssen sich weiterhin zu funktionsfähigem Nervengewebe entwickeln, und genau hier kommt das Magnetfeld zum Einsatz.

Wird es auf ein schnell wechselndes Feld umgestellt, erzeugen die Partikel auf jeder Zelle winzige elektrische Impulse. Offenbar öffnen diese Impulse Kanäle in der Zellmembran.

Kalzium strömt ein und scheint den Prozess zu aktivieren, der die Zelle in eine Nervenzelle verwandelt.

Magnetismus einzusetzen, damit Partikel elektrische Reize abgeben, war bereits zuvor in einer Studie zu Hirngewebe erprobt worden.

Diese Methode mit Zellen zu kombinieren, die sich magnetisch zu einer konkreten Rückenmarksverletzung lenken lassen, war zuvor jedoch nicht gezeigt worden.

Fische schwammen wieder

Der entscheidende Test erfolgte an Fischen mit frischen Rückenmarksverletzungen. Unbehandelt bewegten sie sich kaum; in den schwersten Fällen waren sie vollständig gelähmt und trieben an einer Stelle, statt ihre Becken zu erkunden.

Fische sind ein Sonderfall, weil sich ihr Rückenmark mit der Zeit regenerieren kann. Trotzdem erholten sich behandelte Fische schneller als Tiere, die ohne Hilfe heilten.

Innerhalb von drei Tagen schwammen Fische mit der vollständigen Behandlung nahezu normal, was auf eine deutliche Wiederherstellung der motorischen Funktion hindeutet. Keine der beiden Vergleichsgruppen holte auf.

Der größere Test

Fische sind nachsichtige Versuchstiere. Mäuse sind deutlich weniger nachsichtig. Ihr Rückenmark erholt sich – ähnlich wie unseres – nicht nach einer vollständigen Durchtrennung.

Nachdem das Team das Rückenmark einer Maus vollständig durchtrennt und anschließend die Roboter verabreicht hatte, gewannen die Tiere innerhalb von vier Wochen echte Bewegungsfähigkeit zurück.

Zuvor hatte niemand gezeigt, dass ein magnetischer, zelltragender Roboter diesen Effekt erzielen kann. Auch die Mäuse vertrugen die Behandlung gut.

Über mindestens 28 Tage stellten die Forschenden weder Toxizität noch eine Immunreaktion fest, und die Roboter sammelten sich an der Verletzung, statt sich im Körper zu verteilen.

Heilung liegt noch vor uns

Diese Kombination ist bemerkenswert. Eine einzelne winzige Maschine kann zu einer Verletzung gesteuert und anschließend von außerhalb des Körpers aktiviert werden.

Das System kann die transplantierten Zellen dann dazu anregen, in einem ansonsten dauerhaft geschädigten Rückenmark zu neuem Nervengewebe heranzuwachsen. Für Patientinnen und Patienten liegt der Reiz vor allem darin, worauf die Methode verzichtet.

Es sind keine implantierten Elektroden erforderlich. Das Magnetfeld wirkt von außerhalb der Haut, sodass nichts in das Rückenmark selbst eingeführt werden muss.

Mäuse sind allerdings noch weit von Menschen entfernt, und ein menschliches Rückenmark ist wesentlich größer als alles bislang Untersuchte.

Der gleiche Ansatz könnte auch andere schwer erreichbare Problemstellen ansteuern, etwa hartnäckige Tumoren oder geschädigten Herzmuskel – überall dort, wo eine Behandlung an einem exakt festgelegten Ort ankommen muss.